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Search for resonant leptoquark production via lepton-jet signatures in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV and $\sqrt{s} = 13.6$ TeV with the ATLAS detector

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2025

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Report No.: CERN-EP-2025-142; arXiv:2507.03650

Abstract: This paper presents a search for physics beyond the Standard Model targeting a heavy resonance visible in the invariant mass of the lepton-jet system. The analysis focuses on final states with a high-energy lepton and jet, and is optimised for the resonant production of leptoquarks-a novel production mode mediated by the lepton content of the proton originating from quantum fluctuations. Four distinct and orthogonal final states are considered: $e$+light jet, $μ$+light jet, $e$+$b$-jet, and $μ$+$b$-jet, constituting the first search at the Large Hadron Collider for resonantly produced leptoquarks with couplings to electrons and muons. Events with an additional same-flavour lepton, as expected from higher-order diagrams in the signal process, are also included in each channel. The search uses proton-proton collision data from the full Run 2, corresponding to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$ at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV, and from a part of Run 3 (2022-2023), corresponding to 55 fb$^{-1}$ at $\sqrt{s} = 13.6$ TeV. No significant excess over Standard Model predictions is observed. The results are interpreted as exclusion limits on scalar leptoquark ($\tilde{S}_1$) production, substantially improving upon previous ATLAS constraints from leptoquark pair production for large coupling values. The excluded $\tilde{S}_1$ mass ranges depend on the coupling strength, reaching up to 3.4 TeV for quark-lepton couplings $y_{de} = 1.0$, and up to 4.3 TeV, 3.1 TeV, and 2.8 TeV for $y_{sμ}$, $y_{be}$, and $y_{bμ}$ couplings set to 3.5, respectively.


Note: All figures including auxiliary figures are available at https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/EXOT-2024-12/

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. DFG project G:(GEPRIS)469666862 - Präzisionstests des Standardmodells unter der Verwendung von geboosteten W/Z-Bosonen am Large Hadron Collider (469666862) (469666862)
  3. BARD - B-resonance Algorithm using Rare Decays (101116429) (101116429)
  4. REALDARK - REAL-time discovery strategies for DARK matter and dark sector signals at the ATLAS detector with Run-3 LHC data (101002463) (101002463)
  5. DITTO - Comprehensive search for new phenomena in the dilepton spectrum at the LHC (101089007) (101089007)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2025
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